希格斯机制

希格斯场(the Higgs field)

把整个空荡荡的空间想象成静静地充满了一种看不见的东西,宇宙的每一立方厘米里都有它——你椅子底下、群星之间、你手中原子的内部。你无法直接看到、闻到或摸到它,然而穿行其间的粒子会被减慢、被赋予分量,就像一个人蹚水而行与在空气中行走截然不同。这无所不在的东西,就是希格斯场。它不是停在某处的一堆粒子;它是空间本身的一种属性,在各处都被「打开」了。

在现代物理中,每一种粒子其实都是充满空间的相应场里的一道涟漪——电子是电子场里的涟漪,光是电磁场里的涟漪。希格斯场也是这样一种场,只有一个决定性的不同:它最自然的最低能量状态不是零。大多数场在无事发生时是「关」的(取值为零),希格斯场却即便在完全空无的空间里也停在一个非零值上。电子、夸克、W和Z玻色子等粒子与这无处不在的背景相互作用,而这种持续的相互作用,就是我们测到的它们的质量。一个粒子与这个场耦合得越强,就越难被加速,质量也就越大。完全无视这个场的粒子,比如光子,就保持无质量、以光速飞行。

希格斯场由罗伯特·布劳特和弗朗索瓦·恩格勒于1964年提出,彼得·希格斯也独立提出(古拉尼克、哈根、基布尔做了相关工作),用以解决质量问题。几十年里,它一直是一个出色却无直接证据的假说。决定性的检验出现在2012年:大型强子对撞机上的实验产生了希格斯玻色子——实际上就是希格斯场的一个小扰动或涟漪——从而证实了这个场的真实存在。一点诚实的澄清:希格斯场并不给一切东西赋予质量。它提供的是基本粒子的质量,而质子、中子、乃至你的大部分质量,来自强相互作用的能量,而非希格斯。

一个常见的比喻:一位名人穿过拥挤的房间,会被一群粉丝围住,所以走得很慢;而一个无名之辈则可以径直穿过。人群就是希格斯场;名人是耦合很强的重粒子;无名之辈是像光子那样的无质量粒子。这个画面并不完美,但抓住了核心思想——质量,是来自一个无处不在的场的阻力。

「名人挤过人群」的画面:质量就是来自充满空间之场的拖曳。

希格斯场和希格斯玻色子不是一回事:场是无处不在的背景,玻色子是其中一道局域的涟漪,我们能短暂地把它制造出来并探测到。

又称
the Brout-Englert-Higgs fieldBEH field希格斯场